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深空激光通信有哪些优势？它需要克服哪些困难？

前段时间，美国灵神星探测器在1600万公里外配合地面设施完成深空激光通信试验，刷新了空间光学通信距离纪录。那么激光通信有哪些优势？根据技术原理和任务需求，它需要克服哪些困难？未来，它在深空探测领域的应用前景如何？
 

技术突破 不惧挑战

在航天科研人员探索宇宙的历程中，深空探测是一项极具挑战性的任务。探测器需要穿越遥远的星际空间，克服极端环境和恶劣条件，获取和传输宝贵数据，而通信技术发挥着至关重要的作用。
深空激光通信有哪些优势？它需要克服哪些困难？
灵神星探测器与地面天文台进行深空激光通信试验示意图
10月13日，灵神星探测器升空，开启至少为期8年的探索之旅。在任务初期，它配合美国帕洛马天文台的海尔望远镜，测试深空激光通信技术，使用近红外激光编码，与地球团队进行数据收发交流。为此，探测器及其激光通信设备至少需要克服4类困难。
其一是遥远的距离。在深空探测任务中，目标天体与地球的距离往往以“亿公里”为计量单位，这要求通信具备极高的信号强度和稳定性，以确保数据准确传输。
其二是信号衰减与干扰。随着传输距离增大，无线电信号会出现显著衰减，必然给通信带来极大的挑战。尤其在深空环境中，宇宙射线、尘埃等物质会对通信信号产生干扰，目标天体的磁场、电离层等也会破坏信号的传输稳定性。
其三是带宽限制与延迟。相比深空探测任务需求，通信带宽是有限的。探测器想要在有限的带宽内高效地传输数据，有必要采用先进的编码技术和压缩算法，提高数据传输速率。此外，由于距离限制，深空探测任务需要克服不容忽视的时间延迟，单次通信延迟数分钟或数小时是司空见惯的，近似实时通信则非常困难。
其四，能源限制与散热问题值得关注。探测器在有限的能源供给条件下长期执行深空探测任务，为了确保通信高效、稳定，需要采用低功耗的设备和技术。同时，通信设备运行会持续产生大量热量，如何有效散热也成为挑战。
科研人员对这些困难早有预期和准备，“对症下药”，突破了一系列关键技术，为灵神星探测器开展深空激光通信试验打好了基础。
首先，灵神星探测器采用了高速数据传输技术，选定激光束作为传输媒介，配备了大功率激光发射器，利用激光传输速率快、稳定性高等优点，尝试在深空环境中建立激光通信链路。
其次，为了提升通信的可靠性和稳定性，灵神星探测器采用了高效编码技术，通过对数据进行优化编码，可以在有限的带宽内实现更高的数据传输速率。同时，通过采用前向纠错编码等技术，它能够降低误码率，提高数据传输的准确性。
再次，灵神星探测器借助智能调度与控制技术，实现了对通信资源的优化利用。该技术可以根据任务需求和通信环境的变化，自动调整通信协议和传输速率，从而确保在有限的能源条件下实现最佳的通信效果。
最后，为了增强信号接收能力，灵神星探测器采用了多波束接收技术。这种技术利用多个接收天线组成阵列，可以增强信号的接收灵敏度和稳定性，进而在复杂的深空环境中保持稳定的通信联系。

优势明显 内藏玄机

外界不难发现，激光是灵神星探测器深空通信试验的核心要素，那么激光究竟拥有哪些具体优势，能够助力深空通信显著进步？其中有何奥妙玄机？
一方面，深空探测任务对于海量数据、高分辨率图像和视频的需求不断增长，势必要求深空通信具备更高的数据传输速率。面对往往以千万公里“起步”的通信传输距离，无线电波逐渐“力不从心”。
而激光通信将信息编码在光子上，相比无线电波，近红外光波具有更窄的波长和更高的频率，使构建信息传输更加高效流畅的空间数据“高速公路”成为可能。
深空激光通信有哪些优势？它需要克服哪些困难？
早期近地轨道激光通信测试示意图
这一点已在早期近地轨道空间试验中初步验证。采取相关自适应和克服大气干扰的措施后，激光通信系统的数据传输速率一度比以往的通信手段高出近百倍。
另一方面，激光通信技术对深空环境的适应性更强。在深空环境中，探测器既要应对无处不在的宇宙射线，又要在穿越小行星带、大行星星环等艰辛的旅程中战胜天体碎片、尘埃等阻碍，无线电信号更易受到干扰。
激光的本质是原子受激发辐射出来的光子束，其中的光子具备高度一致的光学特性，方向性好，能量优势明显。凭借先天优势，激光可以更好地适应复杂的深空环境，构建起更稳定可靠的通信链路。
不过，激光通信要想收获理想的效果，必须做好精确对准工作。以灵神星探测器为例，其飞行计算机主控的制导、导航和控制系统发挥了关键作用，所谓“指向、采集和跟踪系统”确保激光通信终端与地球团队的接装置始终保持精确对准，确保通信稳定，还能有效地降低通信错误率，提高数据传输准确性。
此外，这种精确对准又能帮助太阳翼尽可能多吸收阳光，为激光通信设备提供充沛的能量。
当然，再充沛的能量也要高效利用。激光通信的优势之一是能量利用效率较高，相比传统的无线电通信，能够节省更多能源，减轻深空探测器在有限供能条件下的负担，进而延长探测器的飞行航程和工作时间，收获更多科学成果。
另外，相比传统的无线电通信，激光通信在理论上具备更出色的实时性。这对于深空探索是非常重要的，帮助科学家及时获取数据并开展分析研究。不过，随着通信距离增大，延时现象会逐渐明显，激光通信的实时性优势有待检验。

展望未来 更多可能

当前，深空探测通信工作面临诸多挑战，但随着科技不断发展，未来有望综合运用多种措施解决问题。
比如，为了克服遥远通信距离引发的困难，未来深空探测器有可能综合应用高频通信和激光通信技术。高频通信设备可以提供更高的信号强度，提升通信稳定性，而激光通信具有更高的传输速率和更低的误差率，强强联手，贡献更远距离、更高效的通信成果，应该是可以预期的。
深空激光通信有哪些优势？它需要克服哪些困难？
灵神探测器上的深空激光通信装置特写
具体到激光通信技术细节，为了提高带宽利用率和降低延迟，深空探测器有望采用更先进的智能编码和压缩技术。简单地说，根据通信环境的变化，未来深空探测器的激光通信设备会自动调整编码方式和压缩算法，力争实现最佳的数据传输效果，提高传输速率并缓解延迟程度。
为了克服深空探测任务中的能源限制，解决散热需求，探测器将来必然会应用低功耗技术和绿色通信技术，既降低通信系统的能耗，又能够实现高效的热量管理和散热。毫无疑问，随着这些技术实用化、普及化，深空探测器的激光通信系统有望更加稳定地运行，续航力也会显著提升。
随着人工智能和自动化技术不断进步，未来深空探测器有望更加自主高效地完成任务。例如，通过预设规则和算法，探测器可以实现对数据的自动处理和智能化传输控制，避免信息“堵塞”，提高通信效率。同时，人工智能和自动化技术还会帮助科研人员减少操作失误，提高探测任务的准确性和可靠性，激光通信系统也将从中受益。
激光通信毕竟不是万能的，未来深空探测任务有可能逐步实现多元化通信手段的融合。通过综合运用各种通信技术，如无线电通信、激光通信、红外通信等，探测器可以在多路径、多频段发挥最优的通信效果，提高通信的可靠性和稳定性。
同时，多元化通信手段融合有助于实现多任务协同工作，提高探测器的综合性能，进而促使更多类型、数量的探测器在深空执行更复杂的任务。
来源：中国航天报·飞天科普周刊

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